（机械设计及理论专业论文）基于lms+virtuallab和ansys的柔性机器人仿真系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 柔性机器人系统动力学是机械动力学研究领域的重要课题，其中动力学分析 是关键问题，仿真分析软件是研究柔性机器人的重要手段，因此开发高效的动力 学仿真软件对理论研究和工程应用都有十分重要的意义。而要完全重新丌发这样 的仿真软件涉及的工作量非常大，因此充分利用已有的通用软件进行二次7 1 i ：发是 一种比较好的解决方案。国际著名的多体动力学仿真软件l m sv i r t u a l l a bm o t i o n 可以进行刚性机器人系统仿真，但在弹性分析方面的功能不强。a n s y s 是著名 的有限元分析软件，主要用于弹性结构分析，但不能直接进行机器人系统动力学 仿真。本文结合l m s r t u a l l a bm o t i o n 和a n s y s 开发出了柔性机器人仿真系 统，本系统主要包括以下几个方面： 第一，刚性机器人系统的建模及其装配。主要是利用v b s c r i p i 语言对l m s v i r t u a l l a b 进行二次开发，使得通过l m sv j n u a ll a b 的工具栏就能够自动完成 剐住机器入系统的建模和装配。 第二，柔性机械臂、柔性关节的建模及其中性文件的自动生成。主要是利用 u i d l 和a p d l 语言在a n s y s 中进行二次开发，使得通过a n s y s 主菜单就能 够自动创建柔性机械臂和柔性关节，并且自动生成中性文件。 第三，柔性机器人系统模型的自动生成。本系统在用柔性机械臂或者柔性关 节的中性文件生成机器人系统的柔性机械臂或者柔性关节时，系统能够自动搜索 到约束节点，生成柔性机器人系统模型。 第四，柔性机器人的仿真分析。这部分包括c m i g b 姗p t o n 工况的创建及其 模态求解、系统的求解，数据后处理等几个部分。用户只需要输入模态求解的阶 数，系统求解的时间及步长，系统就能自动进行求解。 本文最后通过平面两柔性臂机器入，平面三柔性臂机器人和空蚓四柔性臂机 器人的实例说明了此系统的有效性和优越性。 关键词柔性；机器人；仿真；a n s y s ；l m s n u a l l a b 北京l ：业人学颂十学位论文 a b s t r a c t ih ed y n 啪l co tt l e x l b l er o b o ti sa nl m p o r t a l l tt o p i ci nt h ef i e l do fm a c h i n e r y d y n a n l i c s ，a 1 1 dt h ed y n a m i ca i l a l y s i si st h ek e yp o i n t s i m u l a t i o ns o f t w a r ei sag r e a t h e l pf o rn e x i b l er o b o tr e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p i i c a t i o n ，s oi ti si m p o r t a n tt od e v e l o p m i sk i n do fs o r w a r e ，b u ti tw i l lt a k eal o to ff i n a l l c i a la 1 1 dm a n p o w e rt od e v e l o pt h i s k i n do fs o f t w a r ei fw ed e v e l o pan e ws o r w a r ec o m p l e t e l y i ti sag o o ds o l u t i o nt ou s e u n i v e r s a ls o f t w a r et oi m p l e m e mt h es i m u l a t i o ns o a 、v a r eo fn e x i b l er o b o t t h ef 细o u s m u l t i - b o d yd ”a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，l m sv i r t u a l l a bm o t i o n ，i tm a y b eu s e df o r r i g i dr o b o t ss i m u l a t i o n b u t i th a sn of l m c t i o no fe l a s t i c a n a l y s i s t h ef e a s o r w a r e ，a n s y s ，m a yb eu s e dt 0e l a s t i cs t n l c t u r ea n a l y s i s ，b u ti t c a nn o tb eu s e d d i r e c t l yt od y n a m i cs i m u l a t i o n s ot h et h e s i si n t e g r a t el m s r t 砌l a bm o t i o na n d a n s y st od e v e l o pan e x i b l er o b o ts i m u l a t i o ns y s t e m t h es y s t e mi n c l u d ef o u ra s p e c t s w h j c ha r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t 圮c o m p o n e n to fr i g i dr o b o tc a nb em o d e l e da n da s s e m b l e da u t o m a l i c a l l y t h i sp a ni sd e v e l o p e di nt 1 1 el m sv i n u a l l a bs o f t w a r eb yv b s c r i p tl a i l g u a g e ，a i ma t m o d e l i n ga n da s s e m b l i n ga u t o m a t i c a l l y s e c o n d ，n e x i b l ea 咖so rn e x i b l ej o i n tc a l lb em o d e l e da n dn e u t r a lm ec a nb e c r e a t e da u t o m a t i c a l ly t h i sp a ni sd e v e l o p e di nm ea n s y ss o f t 啪r eb yu j d 】一a 1 1 d a p d ll a l l g u a g e ，a i ma tc r e a l i n gf l e x i b l em o d e la 1 1 dn e u t r a lf i l ea u t o m a t i c a l l y t h i r d ，n e x i b l er o b o tc a nb ec r e a t e da u t o m a t i c a l l y t h es i m u l a t i o ns y s t e mc a nc r e a t e n e x i b l er o b o tm o d e lb yn e u 仃a l ：f i l ea u t o m 砒i c a l l y f o u n h ，m es i m u l a t i o na n da n a l y s i so fn e x i b l er o b o t t h i sp a ni n c l u d ec r e a t i n g c r a i g b a m p t o nc a s e ，让l es o l u t i o no fm o d e 曲es o l u t i o no fr o b o ts y s t e ma n dd a t a p o s t p r o c e s s i n g e t c u s e ro n l yi n p u tm o d e lr a n k ，t i m ee t c t h es y s t e m c a ns o l v e a u t o m a e i c a i i y t h ev a l i d i _ 七ya n da d v a m a g eo f t h es y s t e mi sd e m o n s t r a t e dt h r o u g ha ne x 锄p l eo f a d 1 a 1 1 a rf l e x i b l er o b o tw i t ht 、v oa m s ，a j le x 姐l p l eo fap l a 上1 a rn e x i b l er o b o tw i t ht h r e e a 1 1 n sa n d 粕e x 踟p l eo f as p a t i a ln e x i b l em b o t 、v i t hf o u ra 咖s k e y w o r d sm b o t ；s i m u l a t i o n ；a n s y s ；l m sv i r t u a l l a b 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名他f 1 期：童翌! ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：碰，【& 导师签名日期：立竺：； 1 1 引言 第1 章绪论 随着机器人技术的发展，国际竞争愈演愈烈，对机器人的精度、工作速度、 负载能力提出了越来越高的要求。因此，要尽可能精确地分析机器人的运动学和 动力学特性就必须考虑机器人的柔性。 柔性机器人的建模方法中常用的是有限元分析法，但其编程困难，无论采取 哪种高级语言( 如v b 、v c 、f o r l r a n 等等) ，编制一个完整的程序所耗费的 时间都是很长的。另外，由于个人编程的思路和水平不俐，很难保证算法、程序 的一致性和准确性，而且因缺乏统一标准，源代码的可读性和程序的复用性都不 会很好。 尽管目前在应用软件对机器人进行运动学和动力学分析方面有根大进展，但 都局限于应用通用软件对刚性机器人进行分析，界面不够友好，且未实现自动建 模，需要深入学习后才可以掌握。而且还没有直接能够进行柔性机器人仿真分析 的软件。 一般来说仿真试验有两个显著特点；快速和简便。这样不仪可阻避免研究人 员在进行柔性机器人运动学、动力学分析时的大量计算和出现错误的可能性，而 且可使不太精通机械和力学的人员也能对机器人进行运动学、动力学分析，并参 与机器人机构的设计工作。因此开发出的软件平台应有以下特点； ( 1 、易用性用户可以进行参数化设计，并且h 需要关心与专业有关的问题， 输入相关参数，就能进行仿真分析，而无需熟悉软件如何实现。 ( 2 、可比性分析结果有统一标准，能与前人的分析结果作比较。 ( 3 1 适应性对各种结构及参数，算法都具有稳定性不会出现奇异。 基于以上原因，为了对柔性机器人进行分析，需要开发适用于柔性机器人的 仿真分析软件，为柔性机器人研究提供一个软件平台，实现从柔性机器人系统参 数化模型建立，到动力学仿真全过程的自动亿。本文就是在这样的背景下结合多 体动力学软件l m s r t u a l l 盛b 和有限元软件a n s y s 进行的二次开发。 柔性机器人动力学仿真系统涉及机构运动学和动力学理论、动力学建模、 有限元分析、软件工程等多门学科。下面对各学科相关领域的研究内容进行综 有限元分析、软件工程等多门学科。下面对各学科相关领域的研究内容进行综 林。 北京j l 业人1 学硕十学位论文 鼍暑墨皇! 皇鲁寡_ 皇鼍矗曼量墨鼍皇_ 皇寰葛毫墨皇覃鼍e 蔓e 癌l ! 皇墨囊! ! 詈毫量罡 ! j e詈i ! ! l _ 2 文献综述 1 2 1 柔性机器人动力学分析 弹性机构动力学的研究始于7 0 年代。当时，人们仅考虑把机构中的部分杆 件看作柔性，而且也只考虑构件的一种变形，如对轩状构件通常仪考虑其弯曲 变形。在方程的推导中常引入许多简化假设，从而使理论模型! 孑实际模型存在 较大的差异。这一时期的研究工作比较分散，未形成系统。文献、【2 】对这一 时期的研究作了总结。随着研究的进一步深入，到7 0 年代逐渐形成了连秆机构 弹性动力学，e r d m a f l 和s a i l d o r 在文献【l 】中将其称为k i n e t 伊e l a s t o 曲n a m i c s ”即 “运动弹性动力学”。 7 0 年代初期，d m a n 和s a n d o r 在文献【3 ，4 】、w i n 船y 在文献 5 】中酋先将结 构力学的有限元分析方法引入这个领域，使该领域的研究克服了早期模型过于 简化的缺陷，使机构的分析模型更符合实际情况。e r d m a n 和s a n d o r 采用的是 有限元分析中的力法，数学表达极为复杂，此后的研究很少采用。而w i n f r e v 采用的是有限元分析的位移法，相对简单。以后的研究多采用此法。另外，s a d l e r 和s a n d o r 在文献【6 ，7 】中提出用集中参数法进行弹性动力学分析。其优点是系统 动力学方程中质量矩阵是对角阵，这样就给数学处理上带来了方便。但集中参 数法的精度不够。现在分布参数法应用较广，并取得了大量的成果。文献f 8 对 1 9 7 7 1 9 8 3 年这一时期的b 忑d 方面的研究作了综述。将这期间的文献按分析方 法、有限元方法、最优规划和实验进行了分类综述。 对柔性机器人的研究始于七十年代末。二十多年来，在柔性机械手的建模方 面取得了丰硕的成果，建立了多种关于平面单臂或双臂柔性机械手的数学模型。 d e s o y e r ，k o p a c e k ，g r 砌t i e r ，b o o k 等在文献【9 - 1 l 】中分别对以前的研究成果进行 了一定程度的概括。 目前柔性机器人动力学模型与分析方法主要有下面几种： f 1 ) 连续弹性体模型连续弹性体模型是一种精确的模型。在这种模型中、叭 为弹性体质量和弹性固有的分布特性。按这种模型建立起来的运动方程是偏微分 方程，只在某些简单情况下才能求得解析解，即使是数值解也很难得到，因此， 很少应用在复杂的实际问题中。 f 2 ) 集中参数模型当机构较为复杂时，连续弹性体模型的使用受到限制。 而集中参数模型是为了简化而假设的一种模型。它将弹性体的分布质量按某种简 单原则聚缩于若干点上，形成集中质量和集中转动惯量，在这些集中质量和集中 转动惯量之间用无质量、无转动惯量的弹性元件联接。这样就用这些点处的有限 2 笫l 蕈绪论 个自由度代替了连续弹性体模型的无限个自由度。按这种模型建立起来的方程为 常微分方程，系统动力学方程中质量矩阵是对角阵，这样给数学处理上带来了方 便。这种模型出于对质量分布形式简化较多，计算结果显得粗糙些。文【1 2 采 用此法构造了有内部节点，分布刚度并带集中质量的梁单元，它的特点是利用动 平衡原理来分布集中质量。s a d l e r 和s a n d o r 在文献 6 ，7 】中用集中参数法进行了弹 性动力学分析。 ( 3 ) 有限元模型这种模型是采用另一种方式对连续弹性体模型进行简化。 它也承认质量和弹性的分布特性，但是以节点的弹性位移作为广义坐标，在节点 之间建立起关于节点坐标的弹性位移场或形函数，并以此假设为基础导出单元的 动力学方程，然后将单元动力学方程装配成系统动力学方程。它用节点处的有限 个自由度代替了连续弹性体的无限个自由度，所建立的动力学方程是常微分方 程。在单元划分数相同的情况下，这种模型一般比集中参数模型更精确。文献 1 3 1 7 】采用这种方法建立模型。由于有限元理论的发展，提供了多种平面和空间 单元，因而可用有限元模型模拟具有复杂形状的构件。 ( 4 ) 有限段模型有限段模型本质在于将柔性体系统离散为多刚体，各刚体 之间用弹簧和铰链连接，然后利用建立多刚体系统动力学方程的矩阵方法导出其 非线性系统动力学方程。此方法的特点是无须对梁单元的变形场进行假设，也不 受小变形假设的限制，因此，可以进行柔性体结构的大变形分析，文献 1 8 】采用 了此方法，文中对一连杆为柔性的平面滑块机构进行了分析，建立了多刚体一弹 簧铰链系统非线性动力学方程。 ( 5 ) 基于动态子结构的模态综合方法模态综合的思想6 0 年代初出h u n y 和 g 1 a d w e l l 等提出了，6 0 年代末至7 0 年代，c r a 噜和b a m p t o n 等又对其进行了总 结和改善。动态子结构方法的基本思想【1 9 】是：按照工程的观点或结构的几何轮 廓，遵循某些原则，把完整的大型复杂结构抽象成若干个子结构。首先，对具有 较少自由度的各个子结构进行动态分析。然后，通过某种方案，把子结构的模念 信息综合，形成总体结构的动态特性。l m s 国际公司的l m sv i n u a l l a b 软件应 用了这一方法，结合有限元分析软件，对柔性体进行仿真的效果较好。 1 2 2 柔性机器人的运动学、动力学仿真 七个世纪七八十年代，随着计算机技术的发展，软件行业也得到巨大发展， 开始出现大量的工程分析商用计算软件，如a d r n a 、m a r k 、s a p 5 。这时，有 一些研究者开始利用通用软件进行动力学分析。o d a n d e a 和b e r e n y i 在文献【2 0 】 中利用机械系统动力学仿真软件a d a m s 的早期版本，对一个六自由度工业机器 人进行了连续路径的动力学综合。他们只是对刚性机器人进行了三维空间运动学 3 北京一l 业人学硕士学位论文 进行了仿真，对刚性机器人的各动力学参数没有涉及，也没有柔性机构的相关内 容。 进入九十年代，z y a n g 和j p s a d l e r 在文献【2 1 】、 2 2 】和 2 3 中，采用有限 元软件a n s y s 的瞬态动力学分析功能对弹性四杆机构和平面三杆机器人进彳亍 了仿真。他们根据瞬时结构假设，借用结构分析的方法进行机构分析。在仿真 中，秆件的外力被作为静载荷通过多步分别加载的方式，刚体惯性力用惯性载 荷形式等效，获得的结果与传统的弹性动力学分析比较吻合。但这些方案都未 从根本上解决问题，用f e a 软件进行动力学仿真的工作量仍较大，效率很低， 而且其概念与k e d 分析并不完全一致。而这时单纯用a d a m s 建模与分析则只 能获得一部分动力学指标，无法得出柔性体的变形、应力、应变等动力学指标。 文献 2 6 】首次将a n s y s 和a d a m s 综合应用在柔性机器人和机构动力学分 析上。文献 2 7 1 结合a n s y s 和a d a m s 软件，第一次开发了柔性机器人动力学 仿真系统，该系统能初步完成柔性杆的动力学分析和仿真，且实现了建模的自 动化，并做出了直观的界面。缺陷是只能完成平面柔性机器人仿真，未涉及空 闻方面，且未能进行仿真后的应力应变分析。 1 2 3 机械动力学仿真软件的现状 早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：2 0 世纪4 0 年代模拟计算机仿 真；5 0 年代初数字仿真；6 0 年代早期仿真语言的出现等。8 0 年代出现的面向对 象的仿真技术为系统仿真注入了活力，随着计算机技术的发展，应用于专业的仿 真软件也纷纷出现。国际上先后出现了像a d a m s 、d a d s 等大型的机械动力学 仿真软件。不过目前应用于柔性机器人的动力学仿真软件还很少见。对柔性机器 人的动力学进行仿真通常是结合多体动力学软件和有限元分析软件。其中较为著 名的多体动力学软件主要有：d a d s ( 美) 、a d a m s ( 美) 、s a m c e f 、d a m s ( 荚) 等，有限元分析软件有n a s t i u n 、a n s y s 、a b q u a s 、i d e a s 等。下面就对 一些软件的情况进行介绍。 1 ，2 3 ，! 多体动力学仿真软件 到目前为止世界上已经出现过众多的多体动力学仿真软件，可是绝大多数的 多体动力学仿真软件都相继退出了市场，只有a d a m s 、d a d s 仍然在市场上有 较好表现，并且还有所发展。下面分别对它们的发展和其核心技术进行简单描述。 ( 1 ) l m sv i m l a l l a bm o t i o n ( d a d s )d a d s 产品的全称是d y n 锄i ca n a l y s i s a n dd e s i 髓s y s t e m ，是原美国c a d s i 公司于1 9 8 6 年正式推出的动力学仿真与分析 4 第1 章绪论 软件。 1 9 8 0 年，美国陆军坦克司令部( t a c o m ) 的：i ：程师们希望能得到一种能对 复杂机械系统进行动力学计算的计算机软件。那时，三维c a d 造型软件已经成 熟，基于三维c a d 模型的运动学分析软件也趋于成熟。由于理论力学的发展 在解决单个零件及简单多体机构的动力学问题方面已不存在困难，但要解决复杂 多体机构的动力学问题，常常会因为动力学方程十分复杂使得要解决这样的问题 变得困难重重。当时，实际上已经有公司推出了基于多体动力学理论的计算机仿 真软件，但由于当时采用的多体动力学理论是以笛卡尔三坐标轴为参照系推导出 来的，它存在一些缺陷，如解算不稳定、易发散而得不到计算结果，以及会出现 死点、不能判断临界点位置等问题。 针对这一问题，美国衣阿华大学( u n i v e r s i t yo f i o w a ) 的教授e d h a u g 推导 了全新的以欧拉四参数坐标为参照系的多体动力学方程。这促使t a c o m 决定在 衣阿华大学的研究机构投资，由h a u g 教授带头开发通用的复杂多体动力学计算 机仿真软件。h a u g 教授和他的助手们在1 9 8 2 年将软件交付给陆军。它很快被用 于各种卡车和坦克车的动力学仿真。在1 9 8 3 年，c a d s i 公司作为一个技术转让 公司从衣阿华大学分离出来。开发人员在原来软件的基础上添加了液压模块、控 制模块以及柔性体模块，使软件能满足航天、航空以及国防的其他需要。到1 9 8 6 年，公司开始销售d a d s 产品并开展技术咨询服务。从1 9 8 9 年到1 9 9 1 年他们 同c a d s i 一起开发了一个d a d s 与c a t i a ( i b m 公司与d a s s a u l ts y s t e m e s 法国 达索公司的c a d c a m 软件) 结合在一起的版本，叫c a t d a d s 。自从d a d s 嵌入到c a t i a 的界面下后，c a d s i 又开发了嵌入到i d e a s 、a r 砸s 以及 p m e n 擘i n e e r 这些c a d 系统界面下的产品。在9 0 年代初，c a d s 】已丌始提供 具有更多的仿真( 分析) 技术的产品。 c a d s i 在1 9 9 6 初用风险投资资金中标，获得了i b m 的p o l y f e m 技术后， c a d s i 继续加强d a d s 及p o l v f e m 与机械c a d 软件的结合，加入到d a d s 中 的专业模块也越来越多，如加入了空气动力学模块、水下流体动力学模块、履带 车辆超级模块、汽车悬挂系统模块、优化设计模块以及最近推出的汽车发动机模 块等。这时比利时的l m si n t e m 撕o n a l ( 简称l m s ) 公司也时刻注意着d a d s 产品 的发展。l m s 公司是实验测试仪器、测试数据采集及处理的软硬件的供应商， 同时也是著名的c a e 软件供应商。他们有成熟的仿真振动、噪音和零件疲劳的 计算机软件。 d a d s 作为动力学仿真软件，方面需要实验测试为它提供一些 基本数据( 如零件表面的摩擦系数、弹簧的刚度以及振动源的振动力等) 作为仿 真模型的输入。另一方面，d a d s 仿真得到的机械系统及其各零件， 二的动态响应、 零件之间力的传递等结果，可以作为振动、噪音和零件疲劳仿真软件的原始输入 5 北京】业人。学硕士学位论文 数据。经过了番周密考察，l m s 公司决定与c a d s i 公司合并。在1 9 9 8 年1 1 月，l m s 公司与c a d s i 公司正式宣都合并。易名后的l m s c a d s l 公司成为 l m s 公司机械系统仿真技术分部。l m s 公司也已完成了他们原有的产品与 d a d s 相连接的软件的开发工作。 2 0 0 2 年l m s 公司正式推出了l m s n i l a l l a b 。l m s r t u a l l a b 提供集成平 台用于机械系统仿真以及相关属性分析，包括：振动、噪声、耐久性、平顺性与 操纵稳定性及动力学仿真分析等，曾获最佳功能品质工程仿真解决方案奖。2 0 0 3 年1 1 月，l m s 国际公司发布了l m sv i n u a l l a br e v3 ，该版囊括了所有关键步 骤，及对每个关键属性的设计完成从头到尾的评估所需的技术。l m sv i r t u a l 上a b 采用了d a s s a u l ts y s t 锄e s 的c a a v 5 的基础框架。新版具有如下特点： ( a ) 提供了一个功能强大的设计流程，使工程师能够在实物原型出现前相当 早的时间内即可进行关键的功能品质属性的设计和优化； ( b ) 新版本中创新性技术大大加速了部件级和系统级虚拟模型的建立和分 析； ( c ) 为了加大虚拟仿真对关键开发过程的影响力度，l m sv i r c u a l l a br e v3 提供了新的专用模块，用于动力总成声学、动力总成动力学、车辆动力学、整车 n v h 、部件和系统级疲劳； ( d ) 整合了试验设计( d e s i g no fe x p e r i m e n t s ) 、响应表面建模( r e s p o n s e s u r f a c em o d e l i n g ) 和先进的优化技术( a d v a n c e d0 p t i m i z a c i o nt e c h n i q u e s ) 。这些 功能可使r t u a j 【曲的用户自动评估多个设计方案，使他们运用可靠的设计方法 评估出实际情况的变化产生的影响以便开发出更安全、更优品质、性能更佳的 产品； ( e ) 增加了直接驱动a n s y s 的求解器进行计算。l m sv i n u a i l a b 用户不仅 可以使用a n s y s 建模工具及其数据结果，还可使a n s y s 在r t u a l l a b 支持的 设计流程中成为其紧密集成的一部分。通过l m s v i n u a l l a b ，用户还可以自动地 建立a n s y s 解决方案，并调用a n s y s 求解器。( 同样适用于n a s t r a n ) ； ml m sv i n u a l l a ba c o u s t i c s 新版本提供了一个集成解决方案，用于减少辐 射噪声或在实物原型试验前对新设计方案的声音品质进行优化： ( g ) 进一步扩展了对整车或飞机进行振动噪声分析的功能。它提供了新的子 结构综合技术，以建立系统模型进行振动预测： f h ) 为模拟机械系统实际运动及载荷提供了一个完整的集成解决方案。 ( i ) 提供了一个集成的仿真环境用于预测疲劳点和相应的疲劳寿命。 ( j ) s y s t 啪1 e v c ld u r a b i l i l y 模块紧密集成了包括柔体分析的多体仿真和疲劳 寿命预测。 6 第1 幸绪论 ( 2 ) a d a m s多体动力学仿真软件a d a m s ( a u t o m a t i cd v n a m i ca n a l v s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m ) 是由原美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司丌发的集建 模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机仿真软件【2 8 ，2 9 ，3 0 1 ，是目前世界上最 具权威性、使用范围最广的多体动力学仿真软件。使用这套软件可以产生复杂机 械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参 数方案，直至获得优化的工作性能，从而大大减少了昂贵的物理样机及试验次数， 提高了产品设计质量，大幅度地缩短产品研制周期和费用。由于a d a m s 具有通 用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以 该软件已在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。 a d a m s 软件具有如下特点： f a ) 利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型。 ( b ) 分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力 学分析，包括刚体和柔性体分析。 ( c 1 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。 ( 具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的 能力，提供多种“虚拟样机”方案。 ( e ) 具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。 ( f ) 具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。 旭) 自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线 图形。 ( h ) 可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和计算有限 元的输入载荷。 ( i ) 支持同大多数c a d 、f e a 和控制设计软件包之间的双向通讯。 1 2 3 2 有限元分析软件 有限元分析( f e a ，f i m t ee l e m e n ta n a | y s i s ) 的基本原理是用较简单的问题 代替复杂问题然后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域 组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解整个域的满 足条件f 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，是近似解。 由于大多数实际问题难以得到精确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各 种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元方法与其他求解边界值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅 限于相对小的子域中。2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克 拉夫( c l o u g h ) 教授形象地将其描绘为：“有限元法= r a y l e i 曲r i t z 法+ 分片函数”， 7 北京1 业人学硕士学何论文 即有限元法是r a y l e i 曲硒t z 法的一种局部化情况。不同于求解( 往往足困难的) 满足整个定义域边界条件的允许函数的r a y l e i 幽r i t z 法，有限元法将函数定义在 简单几何形状( 如二维问题中的三角形或任意四边形) 的单元域上，且不考虑整 个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 对于不同物理和数学模型的问题，有限元求解的基本步骤相同，只是具体公 式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：定义问题及求解域：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几 何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相 连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为网络划分。求解域的离散化是有限元 法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：具体的物理问题通常可以用一组包含问 题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化 为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，以某种方法给出单元各 状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程组) ， 反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条 件。 第六步：联立方程组求解和结果解释。 简而言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、求解和后处理。静处理是 建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能 简便提取信息，了解计算结果。 目前世界上有很多有限元分析软件，但是用得比较多的是a n s y s 、 n a s t r a n ，下面对这两个软件进行介绍。 ( 1 1a n s y s有限元分析软件a n s y s 是美国a n s y s 公司的核心产品，由 j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 1 年推出，最初只提供了线性结构分析和热分析两个模 块，只是一个批处理程序，且只能在大型计算机上运行。作为f e a 分析软件的 先导，3 0 年来，a n s y s 不断吸取新的计算方法和计算技术，率先引入图形用户 界面及交互式操作方式，领导着世界有限元计算技术的发展。目前，a n s y s 软 件已成为融结构、热、流体力学、电磁、声学予一体的大型通用有限元分析软件， 广泛用于各种工业领域及科学研究。 a n s y s 力学分析包括结构静力学分析和结构动力学分析两种。结构动力学 分析的类型分为：瞬态动力学分析、模念分析、谐波响应及随机振动等。下面介 8 第l 章绪论 绍和本文相关的瞬态动力学分析。 瞬态动力学分析，又称时间一历程分析，是用于确定结构承受任意随时问变 化载荷的结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在静载 荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下，它的位移、应变、应力及力，而载 荷与时间的相关性使得惯性力和阻尼的作用比较重要。求解瞬念动力学问题的方 法有三种：f u l l ( 完全) 法、r e d u c e ( 缩减) 法及模态叠加法。 完全法是三种方法中最常用和功能最强的，该方法的动力学方程采用完全的 系统质量、阻尼和刚度矩阵。因此，它具有完整的非线性功能，包括塑性、蠕变、 大变形、大应变、应力强化和非线性单元( 如接触表面) 。 缩减法通过采用主自由度及缩减矩阵来压缩问题的舰模。系统的质量、阻尼 和刚度矩阵被假定为线性的，这些矩阵被缩减后( 常用( m y a n 静力缩减) ，可以 用一组动态自由度，即主自由度表示。 模态叠加法与缩减法类似，也是多步、定时间步长的线性分析。该法将模态 分析得到的振型( 特征值) 乘上影响系数并求和来计算结构的总响应。模态分析 既可以基于缩减矩阵( 利用g u 嘲i 缩减) ，也可以基于完全矩阵( 利用子空f 司迭 代) ，适应性较强。 利用a n s y s 的瞬态动力学分析方法进行机构或机器人的运动动力学仿真， 建模与分析的过程都十分繁琐，要求对系统有深入的了解。而且时间历程分析中 采用的多步加载方法与k e d 分析的瞬时结构假设概念上有所不同。 f 2 ) n a s t r a nn a s t 融是m s c s o f l w 黜公司的旗帜产品。】9 6 3 年， r i c h a r dm a c n e a l 博士和r o b e ns c h w e n d l c r 先生联手创办了m s c 公司，并开发 第一个软件程序，名为s a d s a m( s t m c t u n da n a l y s i sb yd i g i t a ls i m u l a t i o no f a n a l o gm e m o d s 即数字仿真模拟法结构分析) ，是m s c 旗舰产品m s c n a s t r a l l 的前身。 1 9 6 5 年，m s c 参加由n a s a 出资主办的标准化计算机结构分析项目，此项 目称为n a s t r a n ，是国际上最早将计算机应用于结构力学分析的项目之。 1 9 7 1 年，m s c 发布自有产权的n a s t r a n 版本，命名为m s c n a s t r a n 1 9 8 3 年m s c s o 脚a r e 公司股票上市，从这一年开始到2 0 0 1 年通过一系列 的并购重组迅速膨胀。随着市场的不断扩大，m s c s o f w 盯e 公司从纯粹的c a e 公司发展成从c a d c a e 软件到系统硬件及工程咨询服务体化集成，提供一 步到位的全方位整体解决方案公司。 1 9 8 9 年m s c 公司兼并荷兰p i s c e si n c e m 8 t i o n a lb 公司，并发布了经革 命性改良的m s c n a s t r a n6 6 版本。该版本包含了新的执行系统、高效的数据 库管理、自动重启动及更易理解的d m a p 开发手段等新特点，同时溶入许多当 9 北京上业人学硕士学位论文 今世界上f e m 领域的研究成果，使m s c r n a s t r a n 变得更加通用、易于使用。 1 9 9 4 年m s c 公司通过兼并前后处理软件丌发商p d a e n g i n e e r i n g 公司，成 为m c a e 市场最大的独立供应商，并推出m s c n a s t r a j lf o rw i n d o w s ，将世界最 著名的有限元软件运行在p c 平台上。 m s c n a s t r a nv 7 0 5 继续向c a e 仿真工具的高度自动化和智能化方向发 展，同时在非线性、梁单元库、h - p 单元混合自适应、优化设计、数值方法及整 体性能水平方面又有了很大改进和增强。 1 9 9 9 年，m s c 公司兼并世界最著名的非线性结构有限元分析厂商m a r c 公 司，使m s c 公司形成了从m s c n a s t 鼬n 到m s c m a r c 全方位、功能强大、 面向不同用户群的有限元分析仿真体系。 2 0 0 2 年，m s c s o f h v a r e 兼并m e c h a l l i c a ld y n a l l l i c s ，i n c 公司，并将其产品 a d a m s 纳入到m s c 产品中，作为一个子模块从而使m s c 集有限元分析和多 体动力学仿真功能于一身，其国际竞争力大大提高。 n a s t r a n 有以下特点： 性能可靠 ( b ) 作为工业标准的输入输出格式 ( c ) 开放式结构 ( d ) 解题能力较强 下面分析几个和课题关系紧密的主要模块。 用户开发工具d m a p 语言 d m a p 语言是n a s t 黜阑提供的用户开发工具，有着3 0 多年的应用历史。 不同于其它软件所用的宏命令，d m a p 语言可较好的深入m s c n a s u 认n 的内 核。m s c n a s t r a n 是由一系列d m a p 予程序顺序执行来完成的，而一个d m a p 模块可由成千上万个f o r t 砒n 子程序组成。d m a p 能帮助用户改变或直接产 生新的求解序列，并允许在m s c n a s t r a n 中直接执行外部程序。它能将矩阵 合并、分离、增加、删除或将矩阵输出到有限元后处理、机构分析、测试相关性 等一些外部程序中。另外，用户还可利用d m a p 编写用户化程序，操作数据库 流程。 由于求解序列是由一系列的d m a p 指令所写，因此一些错误可以通过利用 m s c 提供的当前错误列表修改d m a p 指令写的求解序列来得到校诈。 结构动力分析模块 结构动力分析常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考 虑阻尼及惯性效应的作用。全面的m s c n a s t r a n 动力学分析功能包括：正则 模态及复特征值分析、频率及瞬态响应分析、( 噪) 声学分析、随机响应分析、响 1 0 第l 章绪论 应及冲击谱分析、动力灵敏度分析等。针对中小及超大型问题不同的解题规模， 用户可选择m s c n a s t r a n 不同的动力学方法加以求解。m s c 的通用动力缩减 算法( g d r 法) 在运算时可自动略去对分析影响不大的自由度，不必山用户进行手 工干预。 m s c n a s t r a n 的高级动力学功能可分析更深层、更复杂的工程问题如控 制系统、流固耦合分析、传递函数计算、输入载荷的快速傅立叶变换、陀螺及进 动效应分析( 需d m a p 模块) 、模念综合分析( 需s u p e r e l e m e n t 模块) 。所有动力计 算数据可利用矩阵法、位移法或模态加速法快速地恢复，或直接输出到机构仿真 或相关性测试分析系统中去。 m s c n a s t ra n 的主要动力学分析功能有：特征模态分析、直接复特征值 分析等十多种。 针对实际工程应用，m s c n a s t r a n 中开发了有近7 0 余种单元独特的单元 库。m s c ，n a s 渔n 采用m s c 自行丌发的”单元派生技术”，可根据解题问题的 需要通过变换单元缺省参数获得。这意味着一旦模型建好了，m s c n a s t r a n 就 可用于不同类型的分祈，如动力学、非线性分析、灵敏度分析、热分柄等。而当 分析类型改变时，也仅仅需要很少的些参数修改。 此外。m s c n a s t r a n 的 新版本中还增加了更为完善的梁单元库，同时新的基于p 荦元技术的界面单元的 引入，可有效地处理网格划分的不连续性( 如